楊荃，柴博

（電子科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

近年來，隨著國III標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)對柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放效果的要求，電子控制技術(shù)在柴油機(jī)控制中得到快速應(yīng)用和發(fā)展[1]。為能實時監(jiān)測以電控柴油機(jī)作為主要動力的機(jī)車的位置和運行狀況數(shù)，本文應(yīng)用GPS定位技術(shù)、CAN總線技術(shù)和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，以基于ARM架構(gòu)的S3C44B0X芯片作為核心處理器設(shè)計了一款可實時獲取車輛位置信息、定時讀取車輛工況信息并實時上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的車輛工況信息采集終端。

1 終端主要技術(shù)研究

1.1 GPS定位原理及定位信息的獲取

GPS全球定位系統(tǒng)由24顆分布在6個傾角為55°的軌道上的衛(wèi)星、5個衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測站3個衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)注入站和用戶接收設(shè)備組成。GPS衛(wèi)星實時發(fā)射調(diào)制了C/A碼和P碼的頻率為 1 575.42 MHz（L1）和 1 227.60 MHz（L2）的高頻載波信號。用戶接收設(shè)備任意時刻可接收4顆以上衛(wèi)星發(fā)來的L1載波信號并采用空間距離后方交會的方法，解算出用戶接收設(shè)備所處位置。假設(shè)地面上的用戶接收設(shè)備（坐標(biāo)位置為 x、y、z）于 t時刻開始工作，并分別于 t1、t2、t3、t4…時刻接收到距用戶 s1、s2、s3、s4…的坐標(biāo)位置為 （x1、y1、z1）、（x2、y2、z2）、（x3、y3、z3）、（x4、y4、z4）…等衛(wèi)星發(fā)來的載波信號。 通過對方程組：

（t1、t2、t3、t4… ，s1、s2、s3、s4… ， （x2、y2、z2）、 （x3、y3、z3）、 （x4、y4、z4）…等數(shù)據(jù)可從各衛(wèi)星發(fā)來的報文中獲取，c——光速）求解可得t時刻用戶接收設(shè)備的坐標(biāo)值。為提高定位精度，具體應(yīng)用中，用戶接收設(shè)備按照每組4顆的方式將所接收到的衛(wèi)星信號分為若干組，分別進(jìn)行求解，最后從解算結(jié)果中挑選誤差最小的一組值作為最終結(jié)果[2]。

用戶接收設(shè)備將按照NMEA0183協(xié)議將最終結(jié)果打包成 GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 和 GPGLL7 幀數(shù)據(jù)輸出。

1.2 CAN總線技術(shù)

CAN總線是20世紀(jì)80年代德國博世公司為解決汽車上眾多測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交互問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，可有效滿足分布式控制和實時控制的需求。

作為一種對等網(wǎng)絡(luò)，CAN總線中各節(jié)點沒有主從之分，同時CAN廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼方式，而代之以報文標(biāo)識符對各節(jié)點報文進(jìn)行標(biāo)識并對各節(jié)點報文的優(yōu)先級進(jìn)行定義[3]。CAN總線支持兩種幀格式的報文：標(biāo)準(zhǔn)幀——有11位標(biāo)識符；擴(kuò)展幀——有29位標(biāo)識符。為確保各節(jié)點能正確接收所需報文，CAN總線中的各節(jié)點通過其上的屏蔽碼寄存器對總線上的各報文進(jìn)行過濾以選擇符合自身要求的報文。

如圖1所示為典型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，在CAN網(wǎng)絡(luò)中一般選用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，雙絞線的特性阻抗一般為120歐。具體設(shè)計中，為防止總線上的信號在傳輸過程中因阻抗不匹配而在網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)生反射并與后面的信號疊加形成駐波，進(jìn)而影響總線信號的傳輸質(zhì)量，通常會在CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩端并聯(lián)兩個阻抗值為120Ω的電阻，用于阻抗匹配。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)Fig.1 CAN bus network

1.3 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸

GPRS通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是GSM網(wǎng)絡(luò)的延續(xù)。GPRS利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，增加了分組控制單元 （PCU）、服務(wù)支持節(jié)點 （SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（GGSN）等實體部件，并對GSM網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)的相關(guān)軟硬件進(jìn)行更新升級，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組傳輸[4]。

GPRS采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，只有在用戶需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時，才臨時為用戶分配一個可用信道，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，立即收回該信道，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收端同信道沒有固定的占用關(guān)系。這樣可實現(xiàn)信道資源的最大化利用。

2 終端整體架構(gòu)

如圖2所示為車輛工況信息采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)。車輛工況信息采集終端實時獲取GPS衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)報文，并解算出車輛位置信息；同時通過CAN總線定時讀取車身上的ECU、TCU等控制器傳來的反應(yīng)車輛運行狀況的信息；之后對獲取的車輛位置信息和工況信息按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行打包并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心，同時監(jiān)控中心可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相關(guān)指令給車輛工況信息采集終端。

圖2 車輛工況信息采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)Fig.2 The overall structure of vehicle working condition information collection system

如圖3所示為車輛工況信息采集終端的整體架構(gòu)。來自車載電瓶的+12 V直流電源通過電源轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為+3.3 V和+4.2 V的直流電輸出。其中+3.3 V直流電用于向S3C44B0X主控芯片和CAN總線電路供電；+4.2 V直流電用于向GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路供電；液晶顯示電路直接由+12 V電源供電。GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路通過串口將獲取的車輛位置信息傳送給S3C44B0X，S3C44B0X通過串口與CAN總線電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以獲取車輛工況信息，同時S3C44B0X通過串口驅(qū)動智能液晶顯示電路顯示相關(guān)界面輔助用戶操作，最后S3C44B0X通過串口向GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路發(fā)送AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，并通過該電路轉(zhuǎn)接收監(jiān)控中心發(fā)來的指令。

圖3 車輛工況信息采集終端的整體架構(gòu)Fig.3 The overall structure of vehicle working condition information collection terminal

3 硬件電路的設(shè)計

在車輛工況信息采集終端中，GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路的抗電磁干擾性能，直接決定車輛工況信息采集終端運行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)臏?zhǔn)確率[5]。

3.1 GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路

如圖4所示，為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路。集成模塊MIC29302為電壓轉(zhuǎn)換模塊，將來自車載電瓶的+12 V直流電轉(zhuǎn)換為+4.2 V的直流電供GS89模塊使用，模塊的1引腳（EN，高電平有效）為輸出使能引腳，S3C44B0X通過控制該引腳上的高低電平控制MIC29302輸出電壓的有無。電容C562X、C564X以及電阻R550X、R551X組成地分離電路，將GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路的供電電源和參考地與終端中其它電路進(jìn)行隔離，降低其它電路對GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路造成的電磁干擾。GS89模塊為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路的核心器件，該模塊完成對衛(wèi)星報文的接收、解頻并計算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、高度等位置信息，之后按照NMEA0183協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口以 4 800 bps的速率輸出給 S3C44B0X。電路中 R502X、Q501X、R505X以及R507X組成了信號放大電路，通過該電路可對來自S3C44B0X通用I/O口的高低電平進(jìn)行放大，實現(xiàn)對GS89模塊的有效復(fù)位。

圖4 GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路Fig.4 GPSsatellite data acquisition circuit

3.2 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路

如圖5所示，為GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路。電路中C666X和C667X主要用于濾除VBAT上的紋波。GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路的核心器件為SIM900，該模塊通過其上的RXD和TXD引腳實現(xiàn)與S3C44B0X的數(shù)據(jù)交互：來自S3C44B0X的AT指令經(jīng)由該模塊的RXD引腳被接收和處理并進(jìn)一步通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心；來自監(jiān)控中心的指令經(jīng)由該模塊的天線被接收、解頻和處理之后通過該模塊的TXD引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送給S3C44B0X。并由于本設(shè)計所選用的GPRS天線的阻抗值為50Ω，為防止GPRS信號在傳輸過程中因天線阻抗值與傳輸線的特性阻抗不匹配而造成信號反射，降低GPRS信號質(zhì)量，在繪制PCB電路板時，必須確保用于連接GPRS天線與SIM900的RF_ANT引腳的電氣線的特性阻抗值為50Ω。電路中的NCWZ07為高速電平轉(zhuǎn)換芯片，通過該芯片可將SIM900輸出的4.2 V串行信號轉(zhuǎn)換為S3C44B0X可接收的3.3 V串行信號，實現(xiàn)SIM900和S3C44B0X的無障礙通信；電路中的MOLEX-91228為SIM卡座，用于安裝SIM卡為防止來自SIM900的特高頻信號在傳至SIM卡時形成信號反射，降低信號質(zhì)量，這里選用22Ω的電阻R614X和R613X對二者進(jìn)行阻抗匹配。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)車輛工況信息采集終端硬件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用需求，車輛工況信息采集終端的應(yīng)用軟件主要由包括以下幾個應(yīng)用程序：通話程序、GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取程序、車輛工況信息獲取程序、GPRS數(shù)據(jù)上傳程序、監(jiān)控中心指令獲取程序以及圖形界面顯示程序。如圖6為系統(tǒng)軟件的主流程圖，系統(tǒng)上電后，首先對S3C44B0X芯片以及GPS、GPRS模塊進(jìn)行初始化操作，發(fā)出開機(jī)提示音，并驅(qū)動液晶屏進(jìn)入定位信息界面 ，之后等待各應(yīng)用程序?qū)?yīng)的中斷發(fā)生，一旦有中斷產(chǎn)生，CPU即會跳去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。為確保高實時性的應(yīng)用程序能第一時間占用CPU資源，程序設(shè)計過程中，對不同應(yīng)用程序?qū)?yīng)的中斷的優(yōu)先級做了如下定義，如表1，優(yōu)先級值越小對應(yīng)的優(yōu)先級越高。為為車輛工況信息采集終端的功能預(yù)留升級空間，本設(shè)計中，各中斷的優(yōu)先級值并未連續(xù)占用。

圖5 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路Fig.5 GPRSwireless data transmission circuit

圖6 系統(tǒng)軟件主流程圖Fig.6 The main flow chart of system software

程序中，S3C44B0X與SIM900?？斓臄?shù)據(jù)交互是通過AT指令完成的[6]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)無線發(fā)送時，首先要發(fā)送如下AT指令，建立移動場景：

“AT+CSTT=CMNET，“”，“”設(shè)置 GPRS 網(wǎng)絡(luò)接入點名稱，用戶名和密碼。命令執(zhí)行正確返回“OK”否則返回“ERROR”。

表1 中斷優(yōu)先級分配表Tab.1 Interrupt priority allocation table

“AT+CIICR”激活移動場景，發(fā)起GPRS連接。命令執(zhí)行正確返回“OK”否則返回“ERROR”。

“AT+CIFSR”獲取本地IP，命令執(zhí)行正確返回本地IP地址，否則返回“ERROR”。

“AT+CIPSTART=“UDP/TCP”，“××.×××.××.×××”，“80××”UDP或TCP連接，命令執(zhí)行正確返回“CONNECT OK”否則返回“+CME ERROR”。

“AT+CIPSEND”回車，>需要發(fā)送的車輛位置和工況數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)發(fā)送成功，返回“SEND OK”否則返回“SEND FAIL”。

5 結(jié)束語

試驗測試表明本文所設(shè)計的車輛工況信息采集終端的定位精度小于10 m圓周誤差，車輛工況信息讀取速度為360幀/小時，GPRS[7-8]數(shù)據(jù)無線上傳穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計效果。在貨車、工程車、農(nóng)用車等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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